Выводы. 2 страница

Состав, физические и механические свойства сталей и твердых сплавов

¹ – нормализация 850 °С, отпуск 650 °С;

² – улучшение, 0,6% Cu, 0,6% Mn;

³ – ГОСТ 1435-99, термически обработанная металлоконструкция, сечение ≤5 мм;

⁴ – закалка 880 °С, масло. Отпуск 560 °С;

⁵ – данные ЦНИИТМАШ, закалка 1270-1290 °С, масло; отпуск (3-х кратный по 1 ч) 560 °С, воздух.

Остаточные напряжения

Большое различие коэффициентов линейного расширения твердых сплавов и сталей является причиной возникновения в паяных соединениях значительных внутренних напряжений. На рис. 3.6 приведена схема распределения нормальных (σ) и касательных (τ) напряжении в твердосплавной пластинке, напаянной на сталь. Вблизи концов паяного соединения (у режущей кромки) возникают большие касательные напряжения, которые могут привести к образованию трещин в галтельных участках паяного шва или даже к полному разрушению. Нормальные напряжения вызывают изгиб биметаллического тела и могут вызвать разрушение твердосплавной пластинки в процессе заточки и эксплуатации инструмента.

Рис.3.6. Схема распределения напряжений

Нормальные напряжения имеют максимум на границе твердосплавной пластинки с паяным швом. Определив экспериментально радиус кривизны паяного биметаллического образца, можно по формуле (3.4) определить величину максимальных нормальных напряжений в твердосплавной пластинке:

, (3.4)

,

где Е_т, Е_c – модули упругости твердого сплава и стали;

h_т, h_c – толщины твердосплавной и стальной пластинок;

r – радиус кривизны поверхности спая.

При выводе формулы (3.4) сделано допущение, что изгиб паяного биметаллического образца характеризует только его упругую деформацию. При более точном определении величины остаточных напряжений доля упругой деформации в изгибе паяного образца определяется путем разделения пластин вытравливанием припоя и определением стрелы прогиба пластины, соответствующей пластической деформации.

На практике проще замерять не радиус кривизны, а стрелу прогиба. Тогда радиус кривизны определяется по формуле (3.5):

, (3.5)

где а – длина образца;

b – стрела прогиба.

Для паяного образца с короткой твердосплавной пластинкой и длинной стальной (рис. 3.7) (при отсутствии длинной твердосплавной пластинки, точнее замеряется стрела прогиба) радиус кривизны определяется по формуле (3.6):

(3.6)

Рис. 3.7. Разрез паяного образца с короткой твердосплавной пластиной

Методы снижения остаточных напряжений

Существует несколько технологических способов снижения остаточных напряжений в паяном твердосплавном инструменте. Один из них основан на использовании объемных изменений стали, сопровождающих мартенситное превращение. Увеличение объема стали при мартенситном превращении компенсирует различие в изменении размеров твердосплавной и стальной части при охлаждении в процессе пайки, обусловленное различными коэффициентами линейного расширения, что позволяет получить соединения с очень малыми остаточными напряжениями. Этого можно достичь закалкой корпуса, совмещенной с охлаждением в процессе пайки или изготовлением корпуса из сталей, закаливающихся на воздухе (35ХГС, Р18, 18ХВА). На практике используется закалка корпуса, так как стали, закаливающиеся на воздухе не отвечают требованиям, предъявляемым к материалу корпуса, или являются слишком дорогими.

Для снижения остаточных напряжений применяют:

а) компенсационные прокладки между корпусом и твердосплавной пластинкой, имеющие коэффициент линейного расширения промежуточный между коэффициентами стали и твердого сплава;

б) релаксационный отпуск после пайки.

Технология пайки твердосплавного инструмента

Для пайки твердосплавного инструмента применяют специальные припои ПрАНМц0,6-4-2 и ПрМНМц68-4-2, имеющие высокую прочность и пластичность и обеспечивающие работоспособность инструмента в условиях высоких нагрузок и температур порядка 400…600 °С (например, при скоростном точении). Для пайки инструмента, работающего в более мягких условиях, применяется латунь Л62 или медь.

Флюсом могут служить обезвоженная бура (Na₂B₄O₇), борный ангидрид (В₂О₃) или их смеси.

При пайке твердых сплавов группы ТК и ТТК для удаления стойких окислов титана в состав указанных флюсов обязательно добавляются фториды кальция, натрия, калия или лития.

Нагрев под пайку может проводиться следующими способами: газовой горелкой, в очковых пламенных печах, в печах с восстановительной газовой средой, погружением в соляные ванны и в ванны с расплавленным припоем, на установках с электроконтактным нагревом и с нагревом ТВЧ. Наиболее прогрессивными и распространенными являются два последних способа.

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Материалы

1. Образцы из стали Ст 45 или У8 и стали 30ХГСА, Р18 или 18ХНВА и твердосплавные пластины группы ВК.

2. Наждачная бумага.

3. Ацетон технический.

4. Вата техническая.

5. Припой Л62.

6. Прокаленная бура.

7. Асбест шнуровой.

8. Асбест листовой.

Оборудование

1. Муфельная печь МП-2УМ.

2. Приспособление для установки образцов в печь.

3. Щипцы.

4. Пинцеты.

5. Потенциометр группы ХА или ПП.

6. Щетка металлическая.

7. Штангенциркуль.

8. Термопара ХА.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Подготовить четыре стальные (две из стали марки Ст45 или У8 и две из стали 36ХГС, Р18 или 18ХНВА) и четыре твердосплавные пластинки группы ВК под пайку: стальные зачистить наждачной шкуркой и обезжирить.

2. Подготовить полосы припоя Л62 – вырезать из фольги по размеру паяемых пластин, обезжирить.

3. Собрать образцы, поместив в зазор вместе с припоем тонкий слой прокаленной буры, зафиксировать, обвязав шнуровым асбестом. Если твердосплавная пластинка короче стальной, она устанавливается строго симметрично относительно концов стальной пластины. Нанести буру на поверхность пластин, особенно вблизи галтельных участков.

4. Уложить образцы в приспособление и загрузить в печь, нагретую до температуры 1000±10 °C. Образцы в печи должны находиться в горизонтальном положении (рис. 3.8).

5. Выдержать образцы в печи в течение 5 минут и осторожно вынуть. Для равномерного охлаждения приспособление с образцами поместить на асбест.

6. Промыть образцы после охлаждения горячей водой, очистить от окалины металлической щеткой и замерить стрелу прогиба.

7. Определить по формулам (3.4), (3.5) или (3.6) максимальную величину нормальных напряжений каждого из 4-х образцов.

Рис. 3.8. Принципиальная схема для пайки образцов в электропечи:

1 – образцы из стали; 2 – приспособление-подставка;

3 – электропечь СНОЛ; 4 – пластины из твердого сплава;

5 – потенциометр

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Описание состава, области применения и свойств, использованных в работе сталей, твердого сплава, припоя и флюса.

3. Эскизы образцов, схема проведения эксперимента, режим пайки.

4. Данные о величине нормальных остаточных напряжений в твердосплавной пластине.

5. Анализ и объяснение полученных результатов.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Каковы особенности пайки твердосплавного инструмента?

2. Перечислить способы снижения остаточных напряжений при пайке твердосплавного инструмента.

3. Какие припои и флюсы применяются для пайки твердосплавного инструмента?

4. Назвать источники нагрева под пайку твердосплавного инструмента.

Лабораторная работа № 6

ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПАЙКА С ПРИМЕНЕНИЕМ

ЭЛЕКРОЛИЗНО-ВОДНОГО ГЕНЕРАТОРА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить оборудование и технологию газопламенной пайки с применением водородно-кислородного пламени, получаемого при сжигании продуктов электролиза воды.

2. НАГРЕВ ГАЗОВЫМ ПЛАМЕНЕМ И ОСОБЕННОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ В ГАЗОПЛАМЕННОЙ

ОБРАБОТКЕ

Несмотря на развитие новых способов сварки, резки и пайки, газопламенные методы сохраняют свое значение в производственных процессах вследствие их технологической гибкости. Нагрев газовым пламенем отличается большой универсальностью, позволяет осуществлять местный нагрев в ограниченной зоне изделия, применим при пайке изделий любых форм и размеров, не требует сложного оборудования, допускает механизацию и автоматизацию процесса.

Нагрев осуществляется за счет теплоты, выделяемой при сгорании смесей газообразного или парообразного топлива с воздухом или кислородом. В качестве жидкого топлива применяют бензин, керосин и др., в качестве газообразного – ацетилен, водород, городской газ, пропан, бутан и др.

Газовое углеродно-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 3.9), имеющих неодинаковую температуру и окислительно-восстановительные свойства. Первая зона «А» – ядро пламени с ярко светящейся оболочкой. В этой зоне нормального пламени (при сгорании смеси стехиометрического состава) окислитель расходуется практически полностью, а температура пламени достигает максимального значения вблизи кончика ядра (для водородно-кислородного пламени 2100…2800 °С). Вторая зона «В» – область неполного сгорания горючего, или восстановительная. Нагрев в этой зоне может приводить к раскислению поверхности паяемого металла. Третья зона «С» – зона полного сгорания (или факел пламени), представляющая собой видимый объем светящихся газов. В этой зоне происходит полное сгорание продуктов горения за счет кислорода окружающей среды.

Газовое пламя нагревает поверхность металла вследствие процессов теплообмена - вынужденной конвекции и излучения, интенсивность которых зависит от температуры пламени и часового расхода горючей смеси с оптимальным соотношением топлива и окислителя в газовой смеси.

Высокотемпературная пайка производится обычно газовым пламенем нормального состава с небольшим избытком горючего. Часовой расход горючей смеси на 1 мм толщины паяемой детали для водородно-кислородного пламени, нагрев до 800 ºС - 500 л/ч·мм (для ацетиленокислородного племени - 100 л/ч·мм). Детали нагревают факелом пламени - зоной, находящейся на расстоянии по оси пламени от сопла горелки, равном 2,5…3,5l, где l - длина зоны «А». Пламя преимущественно направляют на деталь, имеющую наибольшую толщину и теплопроводность (при пайке разнородных или разнотолщинных деталей). Выбор диаметра прутка или ширины полоски припоя производится из расчета, что его диаметр или сечение должны быть равны 1...3 толщинам наиболее тонкого элемента паяемых изделий. Припой вводят в зону пайки только тогда, когда всё соединение или значительная его часть достигла температуры, при которой припой может растекаться. Нельзя расплавлять припой в пламени, а также укладывать его на холодные поверхности изделия. Горелку при пайке лучше держать в левой руке, а припой - в правой.

Рис. 3.9. Зоны газового пламени:

А – ядро; В – зона неполного сгорания; С – зона полного сгорания

Сравнительно новым источником газового пламени, пригодным для различных процессов газопламенной обработки материалов, является водородно-кислородное пламя, получаемое при сжигании продуктов электролиза воды (т.н. гремучего газа):

2H₂O→2H₂↑+O₂↑

Поскольку объем газовой смеси, образующейся при электролизе воды, в 1868 раз превышает объем разлагаемой воды, появляется возможность получать газовое пламя, не имея больших запасов взрывоопасных газов, не пользуясь баллонным хозяйством.

Получают горючую смесь в специальных устройствах – электролизно-водных генераторах, производительностью 10…1500 л/ч гремучего газа. Все типы генераторов выполнены по следующей блок-схеме: источник питания с регулированием величины выпрямленного тока – электролизер – водяной затвор (смеситель) – горелка. Основные отличия газогенераторов состоят в схеме электролизера, конструкции ячеек и электродов, применении вспомогательной аппаратуры.

Используется в данной работе электролизно-водный генератор AC-1, с максимальной производительностью 150 л/ч.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПОДЖИГАТЬ ГАЗОВУЮ СМЕСЬ, выходящую из горелки, при отсутствии игл указанного диаметра, так как при этом пламя может втянуться внутрь горелки и вызвать тепловой взрыв гремучей смеси внутри установки.

Электролизно-водные генераторы позволяют осуществлять низко- и высокотемпературную пайку малогабаритных изделий, сварку и резку проводов, фольги, пластмасс, стекла, керамики, изготовление термопар, выжигание отверстий в кварце и т.п. Продуктами горения иглообразного пламени являются в основном пары воды.

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Материалы

1. Пластина из меди М1.

2. Трубка из меди М1.

3. Припой ПМФС-6-0,15.

4. Ацетон.

5. Вата.

6. Наждачная бумага.

7. Вода.

8. Дистиллированная вода.

9. Бензин «Калоша».

Оборудование

1. Ножовка по металлу.

2. Ножницы по металлу.

3. Аппарат сварочный АС-1.

4. Подставка из шамота.

5. Пинцет медицинский или щипцы химические.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Изучить устройство электролизно-водного генератора АС-1.

2. Подготовить к пайке пробные образцы и паяемое изделие (удалить заусенцы, обезжирить ацетоном).

3. Ознакомиться с принципом работы аппарата АС-1.

4. Зажечь пламя от горящей спички, подводя спичку к наконечнику горелки вдоль оси последней.

5. Направить пламя на собранное под пайку изделие, установленное на теплоизолирующей подставке. Нагреть изделие до температуры пайки (при высокотемпературной пайке – до красного каления).

6. Ввести пруток или полоску припоя в зону пайки и произвести заполнение паяемых зазоров. При флюсовой пайке необходимо предварительно ввести флюс в зону пайки или офлюсовать расплавляемый конец заготовки припоя.

7. Отвести горелку от изделия. Выключить аппарат согласно инструкции.

8. Произвести визуальный осмотр и при возможности инструментальный контроль качества пайки.

9. Оформить отчет.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Краткие сведения и схема устройства электролизно-водного генератора.

3. Основные операции технологии пайки с указанием применяемых материалов и их свойств.

4. Эскиз паяемого изделия.

5. Результаты контроля качества пайки.

6. Выводы (достоинства и недостатки данной технологии, возможная область применения).

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какова сущность и основные параметры газопламенного нагрева?

2. Особенности газопламенной пайки.

3. Опишите устройство и принцип работы электролизно-водного генератора.

4. Что такое обратный удар?

5. Как можно регулировать нагрев?

Лабораторная работа № 7

АКТИВНАЯ ПАЙКА АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ С ТИТАНОМ АЛЮМИНИЕВЫМИ ПРИПОЯМИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить технологические возможности пайки и приобрести навыки по выполнению активной пайки в вакууме соединений металла с керамикой.

2. ОСОБЕННОСТИ ПАЙКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

С МЕТАЛЛАМИ

Одно из достоинств пайки – возможность получать прочные и вакуумноплотные соединения металлов с неметаллическими материалами (керамика, стекло, графит, полупроводники и т.д.).

Вследствие различия состава и физико-химических свойств металлов и неметаллических материалов природа связи в паяных швах, обеспечивающая их соединение, иная, более сложная, чем в соединениях между металлами. Керамика, стекла, кварц, ситаллы, ферриты состоят в основном из оксидов (Al₂O₃, SiO₂, MgO, Li₂O и др.) и практически не смачиваются обычными металлическими припоями.

Различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлов и неметаллов в (3…7 раз), в большинстве случаев приводит к образованию остаточных напряжений как после пайки, так и при нагревах в процессе эксплуатации паяных изделий. Напряжения могут быть большими и приводить к разрушению спаев. Поэтому TKЛР металла и неметаллического материала должны бать весьма близкими, например, в так называемых «согласованных» спаях разница в ТКЛР в интервале температур от комнатной до температуры пайки должна быть не более 1,5·10^-6 1/°С, что практически трудно обеспечить. Однако механические напряжения могут возникать и в согласованных спаях из-за неравномерности охлаждения паяемых деталей.

При конструировании металлокерамических спаев разрабатывают конструкцию паяного соединения, обеспечивающую релаксацию напряжений (рис. 3.10). Для этого необходимо выполнение следующих условий: максимальная симметрия соединения, наличие тонких переходных элементов от металла к керамике, учет ограничений по габаритам соединений.

Все конструкции металлокерамических спаев независимо от их габаритов и формы можно разделять на охватывающие и торцевые.

Охватывающие спаи могут быть цилиндрические и конусные. Цилиндрические спаи можно разделить на наружные (металл охватывает керамику) и внутренние (керамика охватывает металл).

Охватывающая наружные цилиндрические спаи для согласованных по ТКЛР пар керамика-металл применяют при диаметрах зоны спая до 50...60 мм. При этом наиболее надежные спаи получают путем уменьшения жесткости металлической детали в зоне соединения: ее делают в виде тонкостенной манжеты или гофры с толщиной стенки 0,4…1 мм. Ширина зоны спая должна быть не менее 2…3 мм. В качестве металла обычно применяют ковар (железоникелькобальтовый сплав с α_ТКЛР = 7,8·10^-6 1/°С), медь, титан. Иногда дополнительно применяют бандажи, например, из молибдена, для обжатия металлической детали, с целью предотвращения увеличения паяемого зазора при нагреве из-за разницы ТКЛР металла манжеты и керамики. При неполном согласовании по ТКЛР, например, в сочетаниях керамика BK-94-1 (α_ТКЛР = 3,5…8·10^-6 1/°С) - титан BT1-0 (α_ТКЛР = 8,6·10^-6 1/°С), можно осуществлять пайку напрямую, без переходов тонкостенных элементов – манжет до величины диаметра соединения 25 мм, однако необходимо паять пластичными припоями.

Охватывающие наружные спаи позволяют использовать высокие прочностные свойства керамических деталей на сжатие, так как α_ТКЛР большинства металлов больше, чем керамики, и такие спаи обладают сравнительно высокой механической прочностью, особенно при прямой пайке, без переходников.

Внутренние соединения керамики с металлами применяют сравнительно редко. При этом толщина манжет в зоне соединения 0,15…0,4 мм, а диаметр соединений 5...40 мм. При пайке электрических вводов диаметр металлических проводников 0,1…2 мм.

Конусные соединения занимают промежуточное положение между охватывающими цилиндрическими и торцовыми. Они проще в сборке под пайку, чем цилиндрические спаи. По характеру напряжений, возникающих в них, они идентичны охватывающим соединениям, поэтому для них приемлемы рекомендации, изложенные выше.

Торцевые спаи являются более простыми в изготовлении, универсальными и надежными, чем цилиндрические и конусные. Торцовые соединения могут быть некомпенсированные и компенсированные, где металл запаян между двумя керамическими деталями (одна из них компенсатор остаточных напряжений). Торцевые компенсированные соединения более надежны, чем некомпенсированные. В компенсированном конструктивном оформлении возможно сочетание с керамикой любого металла, однако обычно используют медь и ковар.

Диаметр соединений 10…150 мм и более. Для этих спаев необходимо утонение металла в зоне соединения до 0,3…1 мм. Ширина зоны спая 1,5...10 мм. Надежные торцовые некомпенсированные спаи алюмооксидной керамики с коваром можно получать для соединений с диаметрами до 100 мм и толщиной манжеты 0,3..0,8 мм. Механическая прочность торцовых соединений определяется в основном прочностью тонкостенной манжеты в зоне соединения. Менее жесткие требования к толщине переходных элементов от массивных металлических деталей узла к керамике в конструкциях торцовых лезвийных соединений. В них взамен специальных арматуры, спаиваемой с керамикой, требуется лишь соответствующая заточка металлического элемента в месте соединения. При этом возможно изготовление соединений произвольной геометрической формы (овальной, прямоугольной и т.п.).

По способу получения соединения керамики с металлами применяют в основном два метода: пайка предварительно металлизированной керамики (осуществляется аналогично пайке металлов) и активная пайка без нанесения металлопокрытий.

Рис. 3.10. Типы соединений керамики с металлами:

а) – торцовое компенсированное; б) – торцовое некомпенсированное; в) – лезвийное; г) – конусное; д) – охватывающее; е) – охватывающее с бандажом; ж) – цилиндрическое внутреннее и наружное (охватывающее); з) – внутреннее

По первому методу на поверхность керамики наносят пасту из порошков тугоплавких металлов, обычно 80% вес. молибдена и 20% вес. марганца, которую затем вжигают в поверхность керамики в атмосфере влажного водорода в течение 7 часов при температурах 1400…1500 °С. При этом происходит частичное окисление входящих в пасту металлов. Алюмооксидная керамика состоит из зерен тугоплавких оксидов алюминия, которые соединены между собой стеклофазой, включающей более легкоплавкие примесные оксиды, поэтому стеклофаза имеет более низкую температуру размягчения, чем основа (в керамике ВК-94-1 с 900 °С). При длительной выдержке происходит химическое взаимодействие оксидов металлизационного слоя с оксидами керамики, а также диффузионная миграция размягченной стеклофазы из керамики в металлизационный слой, которая скрепляет частички тугоплавкого порошка между собой и прочно соединяет весь слой с керамической деталью.

После закрепления первого слоя толщиной 30…85 мкм часто наносят гальваническим или химическим способом слой никеля 2…5 мкм, который улучшает растекание припоев по металлизированной поверхности. Для увеличения прочности сцепления этого слоя, производят термическую обработку в атмосфере сухого водорода при температурах 950-1200 °С. Затем осуществляют пайку в среде сухого водорода припоями на основе меди, золота, серебра, причем наиболее надежные соединения обеспечивает припой – ПСр72.

Пайка по металлизированному покрытию хорошо освоена в промышленности для соединения керамики с деталями, изготовленными из сплавов типа ковара или меди. Однако этот процесс длительный, многоступенчатый и требует тщательного выполнения множества операций.

Пайка по активной технологии (одноступенчатый процесс) основана на том, что при высокой температуре такие металлы, как титан, цирконий и др., образуют с припоями расплавы высокой реакционной способности – активные сплавы, которые растекаются по керамике и металлу, обеспечивая прочные спаи.

Активные металлы (обычно титан) при контакте с керамическими оксидами в условиях безокислительного нагрева и повышенных температур частично их восстанавливают с образованием в пограничной зоне переходных слоев, включающих интерметаллидные и химические соединения восстановленного металла с титаном или другим активным металлом, а также растворы кислорода и восстановленного металла в активном расплаве. Такие слои толщиной от долей до нескольких микрометров имеют промежуточные физико-химические свойства между металлами и неметаллами, смягчают различия между веществами с разным типом межатомной связи и физико-химическими свойствами, а в результате увеличивают смачивание, адгезию расплава припоя к паяемой поверхности. Роль припоя при этом заключается в переносе активного металла к керамике и заполнении зазора между керамической и металлической деталями.

Пайку металлокерамических узлов по этой технологии можно выполнить различными способами: непосредственно с металлическими деталями из титана, припоями, содержащими титан; с предварительным нанесением порошка активного металла или его гидрида на керамику в зоне образования спая.